Einrichtung mit einem Laser Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Laser, bei welcher ein gasförmiges Laser- Medium zu einer stärkeren Besetzung des höheren von zwei bestimmten Energiezuständen seiner Atome, Ionen oder Moleküle angeregt wird und bei welcher ein Teil der bei der Rückkehr der Atome, Ionen oder Moleküle in den niedrigeren Energiezustand emittierter Photonen durch lichtreflektierende Mittel wiederholt durch das Laser-Medium reflektiert und dadurch eine Zunahme der Dichte der emittierten Photonen erreicht wird.
Laser arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie die sogenannten Maser (Mikrowellenverstärkung durch an geregte Emission von Strahlung) und bewirken eine Lichtverstärkung durch angeregte Emission von Photo nen aus Ionen, Atomen oder Molekülen gasförmiger, flüssiger oder fester Substanzen. In besonderen Fällen wird dies in einem Hohlraum oder in einer anderen Umgebung bewerkstelligt, aus der die Lichtenergie nicht unbehindert austreten kann, jedoch eine Erhö hung der Intensität verursacht wird. Das verstärkte Licht in einer derartigen Einrichtung ist durch räum liche oderzeitliche Kohärenz gekennzeichnet.
Bei bekannten Laser-Einrichtungen werden zur Be setzung des höheren Energieniveaus Stossvorgänge (z. B. Zusammenstösse mit Elektronen benutzt, die Entleerung des niederen Energieniveaus jedoch erfolgt allein durch spontane Emission.
Die erfindungsgemässe Einrichtung mit einem Laser ist dadurch gekennzeich net, dass die Einrichtung ein dem Laser-Medium zuge mischtes gasförmiges Zusatz-Medium enthält, um durch unelastische Zusammenstösse seiner Atome, Ionen oder Moleküle mit denen des Laser-Mediums bei den Atomen, Ionen oder Molekülen des Laser- Mediums die Besetzung des niedrigeren ihrer beiden Energiezustände zu verringern,
wobei durch Kombina tion der genannten Anregung und der unelastischen Zusammenstösse die stärkere Besetzung des höheren der beiden bestimmten Energiezustände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums verstärkt wird.
Bei der Einrichtung gemäss der Erfindung wird daher eine aktive Entleerung des niedrigeren der bei den Energiezustände der Atome, Ionen oder Moleküle des Laser-Mediums verursacht.
Indem, der Erfindung entsprechend, eine aktive Entleerung des niederen Energieniveaus durch unelasti sche Zusammenstösse durchgeführt wird, werden die bisher vorhandenen Grenzen in der Laser-Ausgangslei stung überschritten.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbei spiele der Erfindung sowie deren besondere Vorteile näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 ein Grotrian-Diagramm der Energieniveaus von Natrium, das zur Erläuterung einer Laser-Einrich tung gemäss der Erfindung dient; Fig. 2 einen Querschnitt in teilweise schematischer Darstellung durch einen nichtresonanten Lichtverstär ker, der durch eine elektrische Entladung im Verstär kerhohlraum angeregt wird;
Fig. 3 eine zum Teil schematische Darstellung eines Querschnittes eines Resonanzlichtverstärkers, der durch eine Entladung im Resonanzhohlraum angeregt wird; und Fig.4 ein Diagramm einiger Energieniveaus von Zia'.:, das zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dient, bei dem eine innere Entladung zum Anregen des Arbeitsmediums benutzt wird.
Nichtresonanter Lichtverstärker <I>mit innerer Entladung</I> Fig.2 zeigt einen nichtresonanten Lichtverstärker, in dem das gasförmige Laser-Medium in einem Hohl raum direkt durch Zuführung hochfrequenter Energie und nicht durch eine Lichtquelle erregt wird (niederfre quente Energie oder eine Gleichstromentladung können erwünschtenfalls stattdessen verwendet werden). Gegenüber einer relativ einfachen Anregung durch Resonanzstrahlung weist diese etwas komplizier tere Arbeitsweise bestimmte Vorteile auf.
Bei dieser Arbeitsweise werden Zusammenstösse zweiter Art dazu verwendet, um die Intensität einer speziellen Spektral linie der Laser-Einrichtung zu erhöhen. Solche Zusam menstösse zweiter Art sind unelastische Zusammen- stösse.
Es wurden umfangreiche Studien durchgeführt, um das Phänomen der Sekundärfluoreszenz (sensibilisierte Fluoreszenz) zu erforschen. Atome einer Art, die auf ein bestimmtes Elektronenniveau angeregt sind, können bei Zusammenstössen mit Atomen einer zweiten Art ihre Anregungsenergie übertragen. Es wurde experi mentell und theoretisch nachgewiesen, dass der über tragungsvorgang am wahrscheinlichsten ist, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: a) Je kleiner die Energiedifferenz zwischen den in Frage kommenden Energiezuständen der beiden Atom arten ist, desto grösser ist der Stossquerschnitt für den Austausch.
b) Der Gesamt-Elektronenimpuls der beiden Atome bleibt vor und nach dem Zusammenstoss der selbe (Teilauswahlregel von Wigner). In Verbindung mit der Regel a) muss der der Energiedifferenz zwischen den Zuständen beider Atom arten entsprechende Energiebetrag in kinetische Ener gie der Atome umgewandelt oder aus dieser hergeleitet werden. Wenn die Energiedifferenz kleiner als die ther mische Energie ( < K=0.03eV) und wenn die Regel b) erfüllt ist, kann der Stossquerschnitt mehr als das Hun dertfache des Stossquerschnitts gemäss der kinetischen Theorie betragen.
Insbesondere wurden Zusammen- stösse zweiter Art zwischen metastabilen Hg (63P0) Atomen und Natriumatomen in einem gemischten Gas beobachtet. Aus dem Diagramm in Fig.1 geht hervor, dass das Hg (63P0) Niveau zwischen dem Na (7S) und dem Na (6P) Niveau liegt und um 0.045 eV klei ner als das Na (7S)-Niveau ist. Es wurde beobachtet, dass die sichtbare Na (7S 3P) 4751 Linie unter ge wissen Bedingungen so intensiv wie die Na (3P 3S) 5893 A Linie wurde, was zeigt, dass die Hauptmenge der Energie auf das Na (7S) Niveau übertragen wurde. Die Intensitätsverbesserung beträgt etwa das Zwanzig fache. Es kann angenommen werden, dass Übergänge von dem 6P -Niveau in gleicher Weise begünstigst werden.
Die genaue Mischung von Hg in Na-Amalgam, um den notwendigen Druck von Na (¯10-4 mm Hg) und Hg (¯ 1.0 mm Hg) bei Arbeitstemperatur zu erhalten, kann aus Veröffentlichungen entnommen oder angenä hert aus dem Gesetz von Raoult berechnet werden.
Aus der vorangegangenen Erläuterung ist ersicht lich, dass bei Zusammenstössen zweiter Art mit einer anderen Atomart der Wirkungsgrad des Vorgangs, durch den eine stärkere Besetzung eines höheren Ener gieniveaus durch optisches Pumpen erzeugt wird, be trächtlich erhöht werden kann und zu einem Anwach sen des Wirkungsgrades der Arbeitsweise der lichtver stärkenden Einrichtung führt.
Gemäss Fig. 2 ist ein Hohlkörper 31 mit einer Öff nung 32 für den Lichtaustritt in den Aussenraum vor gesehen. Ein Stab 34 aus transparentem Material kann verwendet werden, um das Licht aus der Einrichtung herauszuleiten. Wahlweise können auch Fenster ver wendet werden.
Der Innenraum 36 des Hohlkörpers ist vorzugs weise mit einem gasförmigen Medium ausgefüllt, z. B. mit einer Mischung aus Quecksilber- und Natrium dampf, wie bereits erwähnt wurde. Die Wand 37 des Hohlkörpers 31 ist mit einer reflektierenden Oberflä che 40 versehen, die z. B. aus Magnesiumoxyd besteht. Ein Vorratsbehälter 38 ist über eine Leitung 39 mit dem Innenraum 36 des Hohlkörpers 31 verbunden, um eine gasförmige Atmosphäre gewünschter Zusammen setzung und gewünschten Druckes im Hohlkörper 31 zu erzeugen.
Für den Vorratsbehälter 38 ist eine Heiz- einrichtung 41 vorgesehen, die von einem Temperatur regler 42 gesteuert wird, wodurch der Dampfdruck im Hohlkörper geregelt wird. übermässige Druckschwan- kungen und Kondensation in dem Hohlkörper 31 wer den verhindert, indem der Hohlkörper 31 auf einer durch den Ofen 43 gesteuerten Temperatur gehalten wird.
Um die Atome im Innenraum 36 anzuregen, wird Energie über eine Spule 44 zugeführt, die den Hohl körper umgibt und mit hochfrequenter Anregungsener gie z. B. bei einer Frequenz von etwa 100 Megahertz, gespiesen ist.
In der Einrichtung nach Fig.2 erfolgt also eine Anregung der Atome im Innenraum 36 durch eine von hochfrequenter Energie induzierte Entladung und nicht durch eine Lichtanregung.
Natürlich kann die Entladung im Innenraum 36 auch auf andere Weise erfolgen, z. B. durch eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzentladung zwischen Elektroden oder durch kapazitive Einkopplung hoch- frequenter elektrischer Energie, an Stelle der in Fig. 2 dargestellten induktiven Kopplung.
Der Vorteil der Erzeugung einer Entladung inner- halb des Hohlraumes an Stelle der Abhängigkeit von der Absorption von Energie von einer Lichtquelle ist ohne weiteres verständlich, wenn man berücksichtigt, dass nur etwa 20 % oder weniger der Lichtenergie, die in den Hohlraum geführt wird, zur Erzeugung nütz licher Pumpwirkung absorbiert wird. Darüber hinaus kann nur ein begrenzter Betrag von pumpendem Licht durch eine kleine Öffnung eingeführt werden.
Wenn die Öffnung grösser gemacht wird, wird der Ver lust von Licht aus dem Hohlraum beträchtlich. Wenn die Entladung innerhalb des Hohlraumes erfolgt, um die Atome anzuregen, wird praktisch alle in den Hohl raum eingeführte Energie in dem Arbeitsmedium ab sorbiert und ein grosser Teil in nutzbare Arbeitslei stung umgewandelt. Wenn eine innere Entladung zur Anregung der Atome verwendet wird, kann ein grosser Betrag pumpender Leistung in den Hohlraum einge koppelt werden.
Die Nützlichkeit nichtresonanter Lichtverstärker ist etwas durch den hohen Rauschpegel beschränkt, der sich beim Ausgangssignal ergibt. Zufällige Schwankun gen der Frequenz oder Phase des Signals werden durch spontane Übergänge erzeugt. Insbesondere ist die Nütz lichkeit der nichtresonanten Einrichtung als Verstärker (im Gegensatz zu einem Oszillator) durch diesen Un tergrund zufälliger Emissionen beschränkt, was den Grund für eine Rauschbandbreite von angenähert 1000 Megahertz (die Dopplerbreite der Spektrallinie) ergibt.
Die angenähert äquivalente Rauschtemperatur des nichtresonanten Lichtverstärkers beträgt im Zentrum des sichtbaren Spektrums 30 000 K. Andererseits lie- fert der nichtresonante Lichtverstärker, der als Oszilla tor arbeitet, eine Spektrallinie, die bis zu 50mal schma ler und 3000mal so intensiv wie der schwache, durch spontane Emission erzeugte Untergrund ist, dem diese überlagert wird.
Darüber hinaus weist der nichtresonante Lichtver stärker trotz der kurzzeitigen Frequenzschwankungen eine langzeitige mittlere Frequenz auf, die sehr kon stant ist. Deshalb kann durch Mitteln der Frequenz über eine begrenzte Zeitspanne ein Lichtfrequenznor mal mit einem Ausmass von Genauigkeit erhalten wer den, das vergleichbar mit dem irgendeines bekannten Frequenznormals ist. Ein derartiges Normal ist nicht nur vorteilhaft für Zeitmessungen, sondern auch für Entfernungsmessungen durch interferometrische Ver fahren verwendbar.
Resonanzlichtverstärker Der oben beschriebene Lichtverstärker gemäss Fig.2 wurde als nichtresonanter Lichtverstärker be zeichnet, weil die Frequenz des Lichtes am Ausgang, obwohl sie verhältnismässig konstant ist, nicht in irgendeinem wesentlichen Ausmass von den Abmes sungen des Hohlraumes abhängig ist, in dem die Schwingung erzeugt wird.
Im folgenden soll eine Ausführungsform des Licht verstärkers beschrieben werden, bei welcher die Reso nanzfrequenz der Einrichtung stark von den Abmes sungen des Hohlraumes abhängt. Der Resonanzlicht verstärker unterscheidet sich auch in anderen wichtigen Merkmalen, doch wird die Resonanzanzeigenschaft der Einrichtung als ein zweckmässiger Weg für dessen Un terscheidung von dem vorher beschriebenen nichtreso- nanten Lichtverstärker verwendet.
Das Verfahren zur Anregung der Atome innerhalb des Hohlraumes kann auf Resonanzlichtverstärker an gewandt werden. Fig. 3 zeigt einen solchen Resonanz lichtverstärker. Ein länglicher Hohlkörper 121 ist vor gesehen, der verschlossene Enden 122 und 123 auf weist. Zweckmässigerweise ist zumindest eines der Enden, wie beispielsweise 123, lichtdurchlässig für Licht der Frequenz, für die der Verstärker entworfen ist. Die Seitenwände des Hohlkörpers 121 müssen nicht durchsichtig sein, weil hier nicht die Notwendig keit besteht, Lichtenergie durch die Wände hindurch zuzuführen, da andere Einrichtungen zur Anregung verwendet werden.
Der Innenraum 124 des Hohlkörpers 121 ist mit einem gasförmigen Medium gefüllt, das von einem Vorratsbehälter 125 zugeführt werden kann, der über eine von einem Temperaturregler 127 geregelten Heiz- spule 126 geheizt wird. Wie bereits bei dem vorherge henden Ausführungsbeispiel der Einrichtung beschrie ben wurde, gewährleisten der Vorratsbehälter 125, die Heizspule 126 und der Temperaturregler 127 zu sammen mit dem Ofen 130 mit regelbarer Temperatur, der den Hohlkörper 121 umgibt, dass der Druck des Mediums in dem Hohlraum auf einem geeigneten Wert gehalten wird.
Vorzugsweise ist der Innenraum 124 des Hohlkör pers 121 mit einem gasförmigen Medium gefüllt, das aus einer Mischung aus Natrium und Quecksilber oder aus einer Mischung von anderen Elementen besteht, mit deren Hilfe der Wirkungsgrad der Anregung der beeinflussten Atome auf ein gewünschtes Energieni- veau mit Hilfe von Zusammenstössen zweiter Art be günstigt wird. Die allgemeine Theorie, nach der eine vorteilhafte Besetzungsverteilung der Energieniveaus eines Elementes durch Zusammenstösse zweiter Art mit einem anderen Element erzeugt werden kann, wurde bereits erwähnt und soll hier nicht wiederholt werden.
Das optische System der Einrichtung in Fig. 3 enthält zwei Prismen 131 und 134 mit rechtwinklig zu einander verlaufenden Flächen 132 bzw. 135 sowie Stirnflächen 133 und 136. Die Stirnflächen 133 und 136 sind vorzugsweise mit einem Überzug zur Vermin derung der Reflexion überzogen, so dass praktisch die gesamte Reflexion durch innere Reflexion von den Flächen 132 und 135 erfolgt.
Mindestens eine der Flächen 135 kann mit einem Überzug aus einem Material versehen sein, das einen Brechungsindex zwischen dem des Materials des Pris- mas 134 und der Atmosphäre besitzt, in der es ange ordnet ist, wodurch eine Totalreflexion an der Fläche 135 vermieden und ein Durchtritt des im Hohlraum 124 erzeugten Lichts durch das Prisma 134 ermöglicht wird. Es ist zu bemerken, dass das durch das Prisma 134 hindurchtretende Licht (in verschiedene Bündel) durch Reflxeion und Brechung (-), aufgeteilt sein wird. In einigen Fällen kann dies wünschenswert sein.
Falls es jedoch erwünscht ist, praktisch alle Ausgangsbündel in eine Richtung zu führen, können zusätzliche Pris men vorgesehen werden, um die verschiedenen Aus gangsbündel durch Reflexion oder Brechung zu ver einigen und praktisch in die gleiche Richtung zu füh ren. Ein optisches Filter 137 kann in den Lichtweg zwi schen den Prismen 131 und 134 gebracht werden, um Licht einer anderen Frequenz als der für die Arbeits weise des Lichtverstärkers ausgewählten auszuschei den. Insbesondere wenn ein derartiger Verstärker als Oszillator betrieben wird, kann ein atomarer Übergang höherer Wahrscheinlichkeit als derjenige vorliegen, der die gewünschte Lichtfrequenz erzeugt.
Ein derartiger Übergang würde eine Schwingung bei niedrigerer Ein gangsleistung als der für die gewünschte Schwingung erforderlichen erzeugen. Derartige parasitische Schwin gungen müssen unterdrückt werden. Im allgemeinen treten, mit Ausnahme von Übergängen, Schwingungen in verschiedenen Schwingungsformen gleichzeitig nicht auf und wären in jedem Fall unerwünscht. Folglich kann es wünschenswert sein, ein optisches Filter, wie beispielsweise 137, in dem Hohlkörper 121 anzubrin gen, wodurch mit Ausnahme der gewünschten Fre quenz des Lichts die Verstärkung für alle Frequenzen unter den Punkt vermindert wird, der für die Aufrecht erhaltung einer Schwingung erforderlich ist.
Eine andere und verschiedenartige Verwendung für ein Filter (wie das Filter 137 im Hohlkörper 121, das in Fig. 3 dargestellt ist) erfolgt zum Zwecke der Her stellung polarisierten Lichts am Ausgang des Lichtver stärkers. Offensichtlich ist die Einführung eines Polari sationsfilters in den geschlossenen Weg in der lichtver stärkenden Einrichtung mit dem Auftreten von Verlu sten für Licht mit Ausnahme derjenigen Polarität ver bunden, für die das Filter durchlässig ist.
Diese Verlu ste verhindern weitgehend die Verstärkung anderen Lichts als das der gewünschten Polarität und in einem Oszillator wird die Erzeugung sich selbst aufrechterhal tender Schwingungen mit Ausnahme von Licht der ge wünschten Polarität verhindert, Es ist zu erkennen, dass in der Einrichtung in Fig. 3 keine getrennte Gasentladungslampe vorgesehen ist, um eine Lichtanregung des Mediums im Innenraum zu verursachen.
Stattdessen wird eine Entladung direkt im Innenraum 124 mit Hilfe von Elektroden 127' er zeugt, die mit einer Energiequelle 128 über Leitungen 129 verbunden sind.
Bei der Einrichtung gemäss Fig.3 sind im Innen raum 124 Elektroden 127' angeordnet, welche so ge speist werden, dass entweder eine Gleichstrom- oder Niederfrequenzentladung erzeugt wird. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Elektroden im Innenraum angeordnet sind, um eine Entladung in ihm zu erzeu gen. Z. B. können auch Aussenelektroden verwendet werden, die durch Aluminiumfolien oder dergleichen gebildet und so gespeist sind, dass sie eine hochfre- quente elektrische Entladung im Innenraum 124 indu zieren.
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.Andere <I>durch eine</I> Entladung anregbare atomare Energieniveaus Zusätzlich zu der Anregung der Na (6P und 7S) Niveaus durch Zusammenstösse zweiter Art mit meta stabilem Ilg (63P0) in einer Entladung in der Licht verstärkerröhre ist eine Reihe von metastabilen Ni veaus, die geeignet sind, Niveaus der nahezu gleichen Energie in anderen Atomen durch Zusammenstösse zweiter Art anzuregen, in Tabelle I aufgeführt.
Diese Niveaus sind langlebig, weil die Auswahlregeln für Dipolübergänge ein Abklingen über schnelle Strah lungsprozesse auf niedrigere Niveaus verbieten. Meta- stabile Energiezustände sind nur für Elemente angege ben, die normalerweise ein atomares Gas bilden, ob wohl andere gegebenenfalls auch verwendet werden könnten. Tabelle I ist nicht vollständig, enthält aber die Zustände, die am wahrscheinlichsten von: prakti schem Interesse sind.
Die Erdalkalien Zink und Cad mium können nicht leicht verdampft werden. Es hat den Anschein, dass mindestens in einigen Fällen eine reine He-Entladung zur Verwendung in einem Lichtverstärker nach der Erfindung wünschens- <I>Andere Fälle der</I> Anregung <I>durch</I> Zusammenstösse <I>zweiter Art</I> Zusätzlich zu der wahlweisen Anregung von Na (7S oder 6P) durch Zusammenstösse mit metastabilen Hg (63P0)Atomen. in einer Entladung sind in Tabelle II andere atomare Metalle angegeben, die durch Zu- sammenstoss mit metastabilen Atomen angeregt wer den können. In jedem Fall fallen höhere Niveaus des
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wert ist.
Ein ähnlicher Zustand hinsichtlich eingefange ner Photonen besteht für den Übergang Na (75->3P). Arbeitselements in die Nähe metastabiler Niveaus eines möglichen Trägergases. In -einigen Fällen wurde eine derartige Sekundärfluoreszenz schon von Experimenta toren beobachtet.
Hinsichtlich der Verständlichkeit der Tabelle II wird. auf Tabelle I verwiesen. Beispielsweise weist Argon einen Energiezustand auf, in. welchem es Energie von im unteren von zwei bestimmten Energiezuständen befindlichen Neon auf nimmt.
Wenn somit einem Laser-Medium aus Neon Argon als Trägergas zugemischt ist, so werden die Atome, Ionen oder Moleküle des Argons unelastisch mit den Atomen, Ionen oder Molekülen des Neons zu- sammenstossen und letztere aus diesem untern Energie zustand herausbringen.
In allen bisher diskutierten Beispielen war die spon tane Abklingrate des angeregten Zustands grösser als 106/sec, was charakteristisch für erlaubte elektrische Dipol-Strahlungsübergänge ist. Da die Anregungsrate grössenordnungsmässig 105/sec beträgt, ist offensicht lich, dass selbst bei Verwendung der wirksamen und selektiven Methode der Zusammenstösse zweiter Art die Besetzung des angeregten Zustands nicht stärker als . die des Grundzustandes gemacht werden kann.
Deshalb kann eine Wirkung als Lichtverstärker oder Emission durch gegenseitig induzierte Übergänge nur bis zu einem Zwischenzustand auftreten, dessen Besetzung durch eine noch grössere Rate des spontanen Abklingens niedriger gehalten wird.
Es ist ferner möglich, die Besetzung eines langlebi geren niedrigeren Zustands durch Zusammenstösse zweiter Art zu verringern, um dasselbe Ergebnis zu er reichen.
Lichtverstärker-Übergänge vom metastabilen <I>zum Grundzustand</I> Als Beispiel für Lichtverstärkerübergänge vom metastabilen in den Grundzustand soll Zink betrachtet werden. Die metastabilen 43P Niveaus liegen mehr als 4 Elektronenvolt über dem Grundzustand, wie in Fig.4 gezeigt ist. Diese Niveaus liegen nicht in der Nähe irgendwelcher anderer metastabiler Niveaus und können so nicht direkt durch Zusammenstösse zweiter Art angeregt werden. Jedoch können höhere nicht metastabile Niveaus von Zink durch Zusammenstösse mit metastabilem Krypton und Xenon angeregt wer den. Von diesen. Zuständen fallen die Zinkatome sehr schnell auf metastabile Zustände sowie auf den Grund zustand.
Die Abklingrate von Zink (43P1 ->4'S) durch Emission des ultravioletten Photons A = 3076 beträgt A = 1 X 105/sec. Es wurde bereits erwähnt, dass Raten der Anregung durch Zusammenstösse, die etwas grös- ser sind, erreichbar sein können. Deshalb sollte es möglich sein, Lichtverstärker-Übergänge zu dem Grundzustand von Zink zu erreichen.
Gegenüber dem niedrigen Niveau Nnied. muss das höhere Niveau Nhoch einen Überschuss der Besetzungsdichte aufwei sen, der gegeben ist durch
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mit
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ä <SEP> = <SEP> effektiver <SEP> Reflexionsverlust
<tb> o <SEP> = <SEP> mittlerer <SEP> Photonenweg
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= <SEP> Wellenlänge
<tb> f(Vo) <SEP> = <SEP> Spektrallinien <SEP> Formfunktion
<tb> A <SEP> = <SEP> Abklingrate Einsetzen der Zahlen-Werte ergibt NZn(3P )> 5 X 1011/cm3 Wenn die Atome durch Zusammenstösse auf die drei metastabilen Zustände verteilt sind, beträgt der erforder liche Zink-Druck nur 2 X 10-5 mm Hg. Dies ist der Dampfdruck bei etwa 200 C.
Im Falle von Thallium können die meisten Atome in den viel langlebigeren 62P3/2 metastabilen Zustand durch einen ähnlichen indirekten Mechanismus ge bracht werden: Entweder Zusammenstösse zweiter Art mit metastabilem Hg oder Absorption der 3376 A Resonanzstrahlung mit folgendem Übergang auf 62P312. Wegen der in diesem Fall gültigen Näherungsgleichung
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<B>2 <SEP> 2</B>
<tb> A <SEP> (6 <SEP> Part <SEP> <B>--></B> <SEP> 6 <SEP> P1,2)50/sec. muss die Dichte sehr hoch sein: N .; 1014 Atome/ cm3 oder P = 3X10-3 mm Hg bei einer Temperatur T = 600 C.
Flüssige oder feste Laser-Medien Es ist zweckmässig, Substanzen mit Fluoreszenz (Wiederausstrahlung) zu verwenden, die einen hohen Quanten-Wirkungsgrad aufweisen. Einige Substanzen, die die starke Na(5893 )-Linie absorbieren und gut fluoreszieren, sind Merozyanin Farbstoffe, Fluores- zein , Meldola-Blau und Rhodamin B . Vielver sprechender sind gewisse Substanzen, bei denen die an der Anregung teilnehmenden Elektronen in inneren Schalen der Atome oder der betreffenden Ionen liegen und die gegen Störungen aus der Umgebung abge schirmt sind. Derartige Substanzen, wie Porphyrine, Rubin und Ionen seltener Erden besitzen viel schma lere Spektral-Linien.
Die Verwendung polykristalliner Festkörper bringt die Beugung und Brechung der Lichtwellen an den Kristallgrenzschichten mit sich, wodurch die verlustlose Reflexion einer Welle hin und zurück zwischen den Reflektoren des Lichtverstärkers verhindert wird. Um dies zu vermeiden, könnte ein Rubin-Einkristall ver wendet werden.
Die Schwierigkeiten, die die Verwendung fester oder flüssiger Arbeitsmedien ergeben, können bei spielsweise durch Verwendung des Ions Eu.. (seltene Erde) in flüssiger Lösung auf ein Minimum herabge setzt werden.
Es erscheint deshalb möglich, wenn für spezielle Anwendungen eine kondensierte Arbeitssubstanz wie eine Flüssigkeit wünschenswert ist, eine derartige Arbeitssubstanz in einem Hohlraum zu verwenden. Ein Beispiel einer derartigen Arbeitssubstanz ist Europium- Sulfat in Wasser. Die Anregung könnte durch eine Natriumdampflampe erfolgen, die ähnlich wie kom merziell verfügbare Typen ausgebildet ist, mit einer verbreiterten Natriumlinie und einer Intensität der Emission von zwischen 0,1 und 1,0 Watt/cm2 (stera- dian).
Es ist zu beachten, dass die verschiedenen disku tierten Anregungsarten, wie die Anregung durch Reso nanzstrahlung im allgemeinen sowohl auf die nichtre- sonante als auch auf die resonante Ausführungsform einer lichtverstärkten Einrichtung anwendbar sind, ge nau wie die diskutierten verschiedenen Arbeitsmedien.
Die Lichtverstärker vom resonanten oder nicht resonanten Typ können im Impulsbetrieb arbeiten, ein fach dadurch, dass die Quelle der Anregungsenergie gepulst wird, wie z. B. die Anregung durch Licht oder eine elektrische Entladung.
Device with a laser The invention relates to a device with a laser, in which a gaseous laser medium is excited to a stronger occupation of the higher of two specific energy states of its atoms, ions or molecules and in which part of the upon return of the Atoms, ions or molecules in the lower energy state of emitted photons are repeatedly reflected by light reflecting means through the laser medium and thereby an increase in the density of the emitted photons is achieved.
Lasers work according to principles similar to the so-called maser (microwave amplification through stimulated emission of radiation) and cause light amplification through stimulated emission of photons from ions, atoms or molecules of gaseous, liquid or solid substances. In special cases this is accomplished in a cavity or in another environment from which the light energy cannot escape unhindered, but an increase in intensity is caused. The amplified light in such a device is characterized by spatial or temporal coherence.
In known laser devices, collision processes (e.g. collisions with electrons) are used to fill the higher energy level, but the lower energy level is emptied solely through spontaneous emission.
The device according to the invention with a laser is characterized in that the device contains a gaseous additional medium mixed with the laser medium in order to prevent the atoms, ions or molecules from inelastic collisions of its atoms, ions or molecules with those of the laser medium of the laser medium to reduce the occupation of the lower of its two energy states,
whereby the combination of the said excitation and the inelastic collisions increases the population of the higher of the two specific energy states of the atoms, ions or molecules of the laser medium.
In the device according to the invention, an active emptying of the lower of the energy states of the atoms, ions or molecules of the laser medium is therefore caused.
By, according to the invention, an active emptying of the low energy level is carried out by inelasti cal collisions, the previously existing limits in the laser output power are exceeded.
Using the drawings, Ausführungsbei games of the invention and their particular advantages are explained in more detail. 1 shows a Grotrian diagram of the energy levels of sodium, which is used to explain a laser device according to the invention; Fig. 2 shows a cross section in a partially schematic representation through a non-resonant light amplifier, which is excited by an electrical discharge in the amplifier cavity;
3 shows a partially schematic representation of a cross section of a resonance light amplifier which is excited by a discharge in the resonance cavity; and FIG. 4 shows a diagram of some energy levels of Zia '.:, which serves to explain an exemplary embodiment of the invention in which an internal discharge is used to excite the working medium.
Non-resonant light amplifier <I> with internal discharge </I> Fig. 2 shows a non-resonant light amplifier in which the gaseous laser medium in a cavity is excited directly by supplying high-frequency energy and not by a light source (low-frequency energy or a direct current discharge may be used instead if desired). Compared to a relatively simple excitation by resonance radiation, this somewhat more complicated mode of operation has certain advantages.
In this mode of operation, collisions of the second type are used to increase the intensity of a special spectral line of the laser device. Such collisions of the second kind are inelastic collisions.
Extensive studies have been carried out to explore the phenomenon of secondary fluorescence (sensitized fluorescence). Atoms of one type that are excited to a certain level of electrons can transfer their excitation energy when they collide with atoms of a second type. It has been proven experimentally and theoretically that the transfer process is most likely when two conditions are met: a) The smaller the energy difference between the two types of atom in question, the greater the cross-section of the impact for the exchange.
b) The total electron momentum of the two atoms remains the same before and after the collision (Wigner's partial selection rule). In connection with rule a), the amount of energy corresponding to the energy difference between the states of both types of atoms must be converted into kinetic energy of the atoms or derived from this. If the energy difference is less than the thermal energy (<K = 0.03 eV) and if rule b) is met, the impact cross section can be more than 100 times the impact cross section according to the kinetic theory.
In particular, collisions of the second type between metastable Hg (63P0) atoms and sodium atoms in a mixed gas have been observed. The diagram in FIG. 1 shows that the Hg (63P0) level lies between the Na (7S) and the Na (6P) level and is 0.045 eV smaller than the Na (7S) level. It was observed that the visible Na (7S 3P) 4751 line became as intense as the Na (3P 3S) 5893 A line under certain conditions, indicating that most of the energy was transferred to the Na (7S) level. The intensity improvement is about twenty times. It can be assumed that transitions from the 6P level are favored in the same way.
The exact mixture of Hg in Na amalgam to obtain the necessary pressure of Na (¯10-4 mm Hg) and Hg (¯ 1.0 mm Hg) at working temperature can be taken from publications or approximated from Raoult's law will.
From the preceding explanation it can be seen that in the event of collisions of the second type with another type of atom, the efficiency of the process, by which a stronger occupation of a higher energy level is generated by optical pumping, can be considerably increased and lead to an increase in the efficiency of the Operation of the Lichtver strengthening device leads.
According to Fig. 2, a hollow body 31 is seen with an opening 32 for the exit of light into the exterior. A rod 34 of transparent material can be used to direct the light out of the device. Optionally, windows can also be used.
The interior 36 of the hollow body is preferably filled with a gaseous medium, for. B. with a mixture of mercury and sodium vapor, as already mentioned. The wall 37 of the hollow body 31 is provided with a reflective Oberflä surface 40 which, for. B. consists of magnesium oxide. A reservoir 38 is connected via a line 39 to the interior 36 of the hollow body 31 in order to generate a gaseous atmosphere of the desired composition and the desired pressure in the hollow body 31.
A heating device 41 is provided for the storage container 38 and is controlled by a temperature regulator 42, whereby the vapor pressure in the hollow body is regulated. Excessive pressure fluctuations and condensation in the hollow body 31 are prevented by keeping the hollow body 31 at a temperature controlled by the furnace 43.
To excite the atoms in the interior 36, energy is supplied via a coil 44 which surrounds the hollow body and with high-frequency excitation energy z. B. is fed at a frequency of about 100 megahertz.
In the device according to FIG. 2, the atoms in the inner space 36 are excited by a discharge induced by high-frequency energy and not by light excitation.
Of course, the discharge in the interior 36 can also take place in other ways, for. B. by a direct current or low frequency discharge between electrodes or by capacitive coupling of high-frequency electrical energy, instead of the inductive coupling shown in FIG.
The advantage of generating a discharge within the cavity rather than depending on the absorption of energy from a light source is readily understandable when one considers that only about 20% or less of the light energy that is fed into the cavity is used for Generating useful Licher pumping action is absorbed. In addition, only a limited amount of pumping light can be introduced through a small opening.
If the opening is made larger, the loss of light from the cavity becomes considerable. If the discharge takes place inside the cavity in order to excite the atoms, practically all energy introduced into the cavity is absorbed in the working medium and a large part is converted into usable Arbeitslei. If an internal discharge is used to excite the atoms, a large amount of pumping power can be coupled into the cavity.
The usefulness of non-resonant light amplifiers is somewhat limited by the high level of noise that results from the output signal. Random fluctuations in the frequency or phase of the signal are created by spontaneous transitions. In particular, the usefulness of the non-resonant device as an amplifier (as opposed to an oscillator) is limited by this background of random emissions, which gives rise to a noise bandwidth of approximately 1000 megahertz (the Doppler width of the spectral line).
The approximately equivalent noise temperature of the non-resonant light amplifier in the center of the visible spectrum is 30,000 K. On the other hand, the non-resonant light amplifier, which works as an oscillator, delivers a spectral line that is up to 50 times narrower and 3000 times as intense as the weak one, through spontaneous ones Emission is the background that is superimposed on it.
In addition, despite the short-term frequency fluctuations, the non-resonant Lichtver has a long-term average frequency that is very constant. Therefore, by averaging the frequency over a limited period of time, a light frequency standard can be obtained with a degree of accuracy comparable to that of any known frequency standard. Such a standard is not only advantageous for time measurements, but can also be used for distance measurements by interferometric methods.
Resonance light amplifier The above-described light amplifier according to Figure 2 was identified as a non-resonant light amplifier because the frequency of the light at the output, although it is relatively constant, does not depend to any substantial extent on the dimensions of the cavity in which the oscillation is generated .
In the following, an embodiment of the light amplifier will be described in which the resonance frequency of the device depends heavily on the dimensions of the cavity. The resonance light amplifier also differs in other important features, but the resonance display property of the device is used as a convenient way of distinguishing it from the previously described non-resonant light amplifier.
The method for exciting the atoms within the cavity can be applied to resonance light amplifiers. Fig. 3 shows such a resonance light amplifier. An elongated hollow body 121 is seen in front of the closed ends 122 and 123 has. Conveniently, at least one of the ends, such as 123, is transparent to light of the frequency for which the amplifier is designed. The side walls of the hollow body 121 do not have to be transparent, because here there is no need to supply light energy through the walls, since other devices are used for excitation.
The interior 124 of the hollow body 121 is filled with a gaseous medium which can be supplied from a storage container 125 which is heated by a heating coil 126 controlled by a temperature regulator 127. As already described in the previous embodiment of the device, ensure the storage container 125, the heating coil 126 and the temperature controller 127 together with the furnace 130 with adjustable temperature, which surrounds the hollow body 121, that the pressure of the medium in the cavity is kept at an appropriate value.
Preferably, the interior 124 of the Hohlkör pers 121 is filled with a gaseous medium consisting of a mixture of sodium and mercury or a mixture of other elements, with the help of which the efficiency of the excitation of the affected atoms to a desired energy level with the help is favored by clashes of the second kind. The general theory according to which an advantageous population distribution of the energy levels of an element can be generated by collisions of the second kind with another element has already been mentioned and will not be repeated here.
The optical system of the device in FIG. 3 contains two prisms 131 and 134 with surfaces 132 and 135 running at right angles to one another as well as end surfaces 133 and 136. The end surfaces 133 and 136 are preferably covered with a coating to reduce reflection, so that practically all of the reflection is due to internal reflection from surfaces 132 and 135.
At least one of the surfaces 135 can be provided with a coating of a material which has a refractive index between that of the material of the prism 134 and the atmosphere in which it is arranged, thereby avoiding total reflection on the surface 135 and preventing passage of the light generated in the cavity 124 is made possible by the prism 134. It should be noted that the light passing through the prism 134 will be split (into different beams) by reflection and refraction (-). In some cases this can be desirable.
However, if it is desired to guide practically all output bundles in one direction, additional prisms can be provided in order to combine the various output bundles by reflection or refraction and to guide them practically in the same direction. An optical filter 137 can be used in the light path between the prisms 131 and 134 are brought to exclude light of a different frequency than that selected for the operation of the light amplifier. In particular, when such an amplifier is operated as an oscillator, an atomic transition can be more likely than that which generates the desired light frequency.
Such a transition would generate an oscillation at a lower input power than that required for the desired oscillation. Such parasitic vibrations must be suppressed. In general, with the exception of transitions, vibrations in different waveforms do not occur simultaneously and would be undesirable in any case. Accordingly, it may be desirable to place an optical filter, such as 137, in the hollow body 121, thereby reducing the gain for all frequencies below the point required to maintain oscillation except for the desired frequency of the light .
Another and different use for a filter (such as the filter 137 in the hollow body 121, which is shown in Fig. 3) is used for the purpose of producing polarized light at the output of the Lichtver amplifier. Obviously, the introduction of a polarization filter in the closed path in the light-strengthening device is associated with the occurrence of losses for light with the exception of the polarity for which the filter is transparent.
These losses largely prevent the amplification of light other than that of the desired polarity and in an oscillator the generation of self-sustaining oscillations with the exception of light of the desired polarity is prevented. It can be seen that in the device in FIG separate gas discharge lamp is provided to cause light excitation of the medium in the interior.
Instead, a discharge is generated directly in the interior 124 with the aid of electrodes 127 ', which are connected to an energy source 128 via lines 129.
In the device according to Figure 3 124 electrodes 127 'are arranged in the interior, which are fed so ge that either a direct current or low-frequency discharge is generated. However, it is not necessary for the electrodes to be arranged in the interior in order to generate a discharge in it. For example, external electrodes can also be used which are formed by aluminum foils or the like and fed in such a way that they generate a high-frequency electrical discharge in the Induce interior 124.
EMI0004.0012
.Other <I> Excitable Atomic Energy Levels </I> In addition to the excitation of the Na (6P and 7S) levels through collisions of the second kind with meta stable Ilg (63P0) in a discharge in the light amplifier tube is a number of metastable Levels capable of stimulating levels of nearly the same energy in other atoms by collisions of the second kind are listed in Table I.
These levels are long-lived because the selection rules for dipole transitions prohibit a decay via fast radiation processes to lower levels. Metastable energy states are only given for elements that normally form an atomic gas, although others could possibly also be used. Table I is not exhaustive, but does contain the conditions most likely of practical interest.
The alkaline earths zinc and cadmium cannot easily be vaporized. It appears that at least in some cases a pure He discharge is desirable for use in a light amplifier according to the invention- <I> Other cases </I> excitation <I> by </I> collisions <I> of the second kind </I> In addition to the optional excitation of Na (7S or 6P) through collisions with metastable Hg (63P0) atoms. In a discharge, other atomic metals are given in Table II, which can be excited by colliding with metastable atoms. In either case, higher levels of the
EMI0005.0005
is worth.
A similar state of trapped photons exists for the Na (75-> 3P) transition. Working element in the vicinity of metastable levels of a possible carrier gas. In some cases, such secondary fluorescence has already been observed by experimenters.
For clarity of table II,. refer to Table I. For example, argon has an energy state in which it absorbs energy from neon located in the lower of two specific energy states.
If argon is mixed as a carrier gas into a laser medium made of neon, the atoms, ions or molecules of argon will inelastically collide with the atoms, ions or molecules of neon and bring the latter out of this lower energy state.
In all the examples discussed so far, the spontaneous decay rate of the excited state was greater than 106 / sec, which is characteristic of permitted electrical dipole-radiation transitions. Since the excitation rate is of the order of magnitude of 105 / sec, it is obvious that even when using the effective and selective method of collisions of the second type, the occupation of the excited state is no greater than. which can be made of the basic state.
Therefore, an effect as a light amplifier or emission through mutually induced transitions can only occur up to an intermediate state, the population of which is kept lower by an even greater rate of spontaneous decay.
It is also possible to reduce the occupation of a long-lived lower state by collisions of the second type in order to achieve the same result.
Light amplifier transitions from the metastable <I> to the ground state </I> Zinc should be considered as an example of light amplifier transitions from the metastable to the ground state. The metastable 43P levels are more than 4 electron volts above the ground state, as shown in Figure 4. These levels are not in the vicinity of any other metastable levels and so cannot be directly excited by collisions of the second kind. However, higher non-metastable levels of zinc can be excited by collisions with metastable krypton and xenon. Of these. States, the zinc atoms fall very quickly to metastable states and to the ground state.
The rate of decay of zinc (43P1 -> 4'S) through the emission of the ultraviolet photon A = 3076 is A = 1 X 105 / sec. It has already been mentioned that collision excitation rates that are somewhat larger can be attainable. Therefore, it should be possible to achieve light amplifier transitions to the ground state of zinc.
Compared to the low level Nnied. the higher level N high must have an excess of the occupation density, which is given by
EMI0006.0036
With
EMI0006.0038
ä <SEP> = <SEP> effective <SEP> reflection loss
<tb> o <SEP> = <SEP> medium <SEP> photon path
EMI0006.0039
= <SEP> wavelength
<tb> f (Vo) <SEP> = <SEP> spectral lines <SEP> shape function
<tb> A <SEP> = <SEP> Decay rate Inserting the numerical values results in NZn (3P)> 5 X 1011 / cm3 If the atoms are distributed over the three metastable states by collisions, the required zinc pressure is only 2 X 10-5 mm Hg. This is the vapor pressure at around 200 C.
In the case of thallium, most atoms can be brought into the much more long-lived 62P3 / 2 metastable state by a similar indirect mechanism: either collisions of the second type with metastable Hg or absorption of the 3376 A resonance radiation with the following transition to 62P312. Because of the approximation equation valid in this case
EMI0006.0047
<B> 2 <SEP> 2 </B>
<tb> A <SEP> (6 <SEP> Part <SEP> <B>--> </B> <SEP> 6 <SEP> P1,2) 50 / sec. the density must be very high: N .; 1014 atoms / cm3 or P = 3X10-3 mm Hg at a temperature T = 600 C.
Liquid or solid laser media It is advisable to use substances with fluorescence (re-emission) that have a high quantum efficiency. Some substances that absorb the strong Na (5893) line and fluoresce well are merocyanine dyes, fluorescein, Meldola blue, and rhodamine B. Much more promising are certain substances in which the electrons participating in the excitation are in the inner shells of the atoms or the ions in question and which are shielded against interference from the environment. Such substances as porphyrins, ruby and rare earth ions have much narrower spectral lines.
The use of polycrystalline solids brings about the diffraction and refraction of the light waves at the crystal boundary layers, which prevents the lossless reflection of a wave back and forth between the reflectors of the light amplifier. To avoid this, a single crystal ruby could be used.
The difficulties that result from the use of solid or liquid working media can be reduced to a minimum in liquid solution, for example by using the ion Eu .. (rare earth).
It therefore appears possible, if a condensed working substance such as a liquid is desirable for special applications, to use such a working substance in a cavity. An example of such a working substance is europium sulfate in water. The excitation could come from a sodium vapor lamp, which is designed similarly to commercially available types, with a broadened sodium line and an emission intensity of between 0.1 and 1.0 watt / cm2 (stadian).
It should be noted that the various types of excitation discussed, such as excitation by resonance radiation, are generally applicable to both the non-resonant and the resonant embodiment of a light-amplified device, just like the various working media discussed.
The light amplifier of the resonant or non-resonant type can work in pulsed mode, simply in that the source of excitation energy is pulsed, such as. B. excitation by light or an electrical discharge.